基于三维时域Green函数法的船舶在规则波浪中的运动数学模型

在小时间区域采用级数展开法, 在大时间区域采用渐进展开法, 在大、小时间过渡区域采用精细积分法, 对三维时域Green函数进行数值计算; 采用线性叠加原理求解船舶辐射与绕射问题, 构造出船舶在规则波浪中的运动数学模型, 并采用数值方法计算WigleyⅠ型船舶和S60型船舶以Froude数为0.2迎波浪航行时的水动力系数、波浪激励力与运动时间历程。计算结果表明: 由于不规则频率的影响, 当量纲一频率为1.7时, WigleyⅠ型船舶的垂荡附加质量计算结果比试验结果小44%, 当量纲一频率为2.5时, S60型船舶的纵摇阻尼系数计算结果比试验结果小43%;随着入射波频率的增加, WigleyⅠ型船舶和S60型船舶的水动力系数和波浪激励力的大部分计算结果与试验结果的相对误差小于30%, 且二者的变化趋势一致; 对于WigleyⅠ型船舶, 当波长与船长比为1.25时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小11.3%和4.8%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大48.4%, 纵摇幅值响应因子比试验值小48.4%, 当波长与船长比为1.50时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小3.0%和11.3%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大9.8%, 纵摇幅值响应因子比试验值小23.6%。可见, 采用三维时域方法能准确地仿真船舶在波浪中的运动时间历程。      

规则波中船舶复原力变化计算

基于切片理论,利用3个坐标系之间的转换关系,建立了任意规则波中重力与浮力平衡及纵倾力矩为零的瞬时静平衡方程,提出了任意规则波中船体各横剖面左右舷与波面一组或多组交点的求法及各浸水剖面面积的通用计算法;基于Froude-Krylov假说研究了规则波中船舶的复原力变化.通过对一艘油船的各种瞬时状态的计算,得到波浪中船舶的复原力变化特性.计算结果表明船-波相对位置是影响波浪中复原力变化的一个至关重要因素,且波浪中船舶复原力在横倾大角度时表现出明显的非线性.     

非线性兴波阻力计算

叙述了计算船舶非线性兴波阻力的一种方法，采用面元法满足完全非线性边条的势流场。特点是采用三角形单元，源面自自由面上置和自湿水面下潜，每次迭代均适应新的波面重新作网格划分，所采用的迭代方式未发生不收敛问题，只需少数迭代次数即达到收敛。对Ｔｏｄｄ６０系列Ｃｂ＝０．６￣０．７５及不同Ｌ／Ｂ，Ｂ／Ｔ作了计算，所得计算结果与试验值符合，令人满意。     

哑铃型桥梁结构畸形波浪力水槽试验及简化算法

为研究畸形波浪参数对新型哑铃型桥梁结构波浪力的影响,开展一系列波流水槽模型试验.首先,分析谱峰频率、频率范围及聚焦位置对哑铃型桥梁结构周围的波面时程图及波峰的影响;其次,阐明上述波浪参数对结构畸形波浪力时程图及波浪力峰值的影响规律;最后,基于经典绕射理论,提出适用于新型哑铃型桥梁结构畸形波浪力谱的简化计算方法.研究结果表明：谱峰频率、聚焦位置及频率范围对结构周围的波面位移影响均较小,差异均小于3%.谱峰频率和聚焦位置对哑铃型桥梁结构畸形波浪力有较大影响,当谱峰频率从0.6 Hz增加到1.1 Hz时,顺波向波浪力呈先增后减的变化趋势,变化幅度最高达11.0%,垂向浮托力则下降了57.0%;当频率范围从0.5 Hz增加到0.8 Hz时,顺波向波浪力下降了2.1%,垂向浮托力增大了5.9%;当聚焦位置从结构物的迎浪侧移动到背浪侧时,引起的结构顺波向波浪力变化幅度小于5%,垂向浮托力变化幅度小于3%.经过试验数据和理论分析结果的对比表明,基于绕射理论提出的简化算法可有效计算畸形波作用下哑铃型桥梁结构的波浪力谱模型.     

桥梁船撞动力有限元数值模拟分析

桥梁在船舶碰撞时受到的动力载荷和响应是复杂的动力非线性问题,在分析碰撞仿真基本理论和关键技术的基础上,借助于非线性有限元软件LS-DYNA,仿真分析了船舶撞击桥梁主塔的基本过程,得到了船舶与主塔碰撞时碰撞力、能量转化及结构变形的时间历程,所得结论对桥梁设计与碰撞后损伤评估有着重要的参考价值。     

大舵角下船舶操纵性指数K,T简易计算方法研究

根据船舶转向到新航向距离Dnc的计算公式,运用数学方法推导出操纵性指数K,T值的简易计算方法.并与现有其他方法进行对比,将该方法与Z形试验法计算的K,T值代入船舶一阶线性响应模型进行仿真验证,然后与基于船舶智能操控仿真平台的旋回试验数据进行对比,得出在操舵角大于等于20°时,简易计算方法比Z形试验法计算精度更高.因此,提出的简易计算方法对计算大舵角时的船舶操纵性指数K,T值具有可操作性和实用性.     

桥梁结构非线性模型修正研究综述

针对桥梁服役期间由于结构力学性能减弱从而表现出具有时变特征的非线性振动问题,在回顾非线性模型修正发展的基础上,分别从非线性系统识别、非线性模型修正方法和非线性模型不确定性量化3个方面入手,总结了结构非线性模型修正技术中存在的一些关键问题;结合复杂结构损伤识别、性能评估与安全监测等内容,对其在桥梁结构中的应用展开了讨论。研究结果表明:以固有频率和模态振型为代表的响应特征量仅能反映时不变结构的物理特性,对于非线性结构而言其力学性能随外激励作用而不断变化,基于线性系统特征量的模型修正方法不能很好地适用于具有明显时变特性的非线性结构;结构动力响应主分量的瞬时频率和瞬时幅值包含了振动响应信号的相位信息和幅值信息,可以较为全面地反映动力荷载作用下结构响应的非平稳特性,选择具有时变特性的瞬时特征量来构建目标函数能够更为合理地表征非线性结构的动力特性;不确定性模型修正方法通过综合利用实测响应数据,考虑了测量噪声、模型误差和数值计算方法等不确定因素的影响,提高了模型修正结果的准确性;复杂结构非线性模型修正过程中涉及的参数众多,计算量大,极大地限制了其在实际工程结构中的应用,因此,合理选择具有代表性的非线性模型参数以及提高模型修正的计算效率是当前亟需解决的问题。      

极端波浪作用下T梁与箱梁受力研究

近海桥梁常采用的箱形截面主梁与T形截面主梁由于几何构型差异较大,在极端波浪(海啸和飓风)作用下波浪力有较大差别.分别以孤立波、椭圆余弦波模拟海啸和飓风波浪,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型建立二维数值模型,采用VOF(volume of fluid)法追踪自由液面,对数值水槽造波效果及波浪力计算结果进行验证;在...     

悬索桥主缆和短吊杆轴力计算方法

为解决短吊杆轴力难以用频率法确定的问题,提出了确定悬索桥主缆和短吊杆轴力的节点平衡法和比拟法。节点平衡法以吊点为分析对象建立以主缆轴力为未知量的超定平衡方程组,从而获取主缆轴力的最小二乘解,并进一步确定短吊杆轴力。比拟法基于长吊杆轴力与简支梁弯矩间关系,建立主缆线形与长吊杆轴力的关系方程,最终确定主缆的水平张力与短吊杆的轴力。以贵州南盘江悬索桥为例,分别应用节点平衡法和比拟法得出主缆张力和吊杆轴力。计算结果表明:2种方法的计算值与频率法实测值相近,节点平衡法所得主缆张力误差为-4.3%(上游)和3.1%(下游),比拟法所得主缆张力误差为-8.6%(上游)和-0.1%(下游);2种方法所得长吊杆轴力最大误差约为10%,上游吊杆轴力平均误差小于2%,下游吊杆轴力平均误差约为9%。可见,节点平衡法和比拟法是确定主缆和短吊杆轴力的有效方法。     

基于单参数自调节RM-GO-LSVR的船舶操纵灰箱辨识建模

为实现舵角小、试验数据少条件下船舶操纵辨识建模, 提出了一种船舶操纵运动灰箱模型; 搜集水动力系数已知的船舶运动数学模型作为备选参考模型(RM), 计算被辨识船舶与备选RM的相关系数, 并以此筛选合适的RM; 运用相似准则将观测数据映射到RM的输入值域, 建立被辨识船舶与RM的运动关联, 获得了RM的加速度项, 并使用线性支持向量回归(LSVR)机补偿被辨识船舶和RM加速度项间的误差; 分析了机理模型, 设计了合适的LSVR输入项, 使用全局优化(GO)算法自动调节了LSVR的不敏感边界参数; 基于自航模试验数据训练了灰箱模型, 并与约束模试验(CMT)结果和计算流体力学结果比较, 验证了灰箱模型的泛化能力和预报精度。研究结果表明: 在20°船艏向、20°舵角Z形试验预报中, 灰箱模型所得第一超越角精度至少比CMT、虚拟约束模试验(VCMT)和RM方法所得结果高1°, 灰箱模型所得第二超越角精度至少比CMT和VCMT所得结果高0.4°; 在35°舵角旋回试验预报中, 灰箱模型所得进距精度至少比CMT、VCMT、数值循环水槽试验(NCWCT)和RM方法所得结果高1%, 灰箱模型所得战术直径精度比CMT所得结果低4%, 比NCWCT所得结果高10%;RM方法有助于灰箱辨识建模, GO算法能够优化LSVR的不敏感边界参数, 建立的单参数自调节灰箱辩识建模方法能够实现小舵角、少数试验条件下的船舶操纵辨识建模。      

Slamming and Green Water Loads on Bow-Flare Ship in Regular Head Waves Investigated by Hydroelasticity Theory and Experiment

With the development of ships towards large scale, high speed and light weight, ship hydroelastic responses and slamming strength issues are becoming increasingly important. In this paper, a time-domain nonlinear hydroelasticity theory is developed to predict ship motion and load responses in harsh regular waves.Hydrostatic restoring force, wave excitation force and radiation force are calculated on the instantaneously wetted body surface to consider the nonlinear effects caused by large amplitude motions of ship in steep waves. A twodimensional(2 D) generalized Wagner model and a one-dimensional(1 D) dam-breaking model are used to estimate the impact loads caused by bow flare slamming and green water on deck, respectively; the impact loads are coupled with the hydroelastic equation in time-domain. Moreover, segmented model tests are carried out in a towing tank to investigate the wave and slamming loads acting on the hull sailing in harsh regular head waves and also validate the numerical results.     

用面元法预报船舶的兴波阻力及波型

采用基于开尔文源的面元法求解航行于均匀流场中的船舶兴波问题．在船体湿表面上布置开尔文源，使其严格满足船体表面条件．数值计算中，首先采用分部积分对被积函数进行简化处理，然后采用高斯积分实现面元和线元上的积分，避免了被积函数为高频振荡函数所带来的数值计算的复杂性和不确定性．计算结果表明，其波型及兴波阻力系数与试验结果和其他数值方法相比均吻合较好．     

基于NURBS的三维船体曲面重构

针对重大件货仿真系统中船体曲面造型问题，给出了基于NURBS(非均匀有理B样条方法)技术重构船体曲面的主要步骤。对于给定的船舶型值点，用累加弦长参数化方法构造节点矢量，用非均匀有理B样条方法进行横剖线和水线的全局插值，并构造出规整的船体曲面的插值点网格，进而重构出以NURBS为统一数学表达式的船体曲面。仿真结果表明应用NURBS方法重构出的三维船体具有高度真实感。     

基于NURBS的船体曲面自适应三角网格剖分

针对面向曲面的三维船体性能计算和真实感图形显示问题,应用NURBS曲线、曲面理论,提出一种新颖的船体NURBS曲面三角形网格自动生成算法,运用四角编码方法和改进的曲面片平坦性检验方法,保证在递归分割船体NURBS曲面时,能够快速有效地分割出四边形网格,在曲面片的高度方向和边界处同时满足给定的精度要求,在此基础上,应用割角剖分算法将一个四边形网格剖分成两个或多个三角形网格。应用结果表明,应用该算法生成的三角形平面片能够较好地逼近船体曲面,避免出现网格间的裂缝,与二叉树、四叉树方法相比,四角编码方法明显节省了时间和空间,提高了算法效率。     

浅海低频点声源作用下海底地震波的数值模拟

建立了点声源作用下海底地震波的时域数值计算模型.利用该模型,对二维半无限空间简单海洋模型的低频点声源海底地震波问题进行了数值模拟,得到了海底表面处的加速度和声压值.结果表明,浅海低频点声源的大部分能量耦合到海底基岩中以地震波的形式向远处传播.声源频率、海底吸声系数和海底基岩阻尼系数对舰船海底地震波信号均有影响.     

波浪激励下红土镍矿运输船舶倾覆机理

选取具有典型流态化货物特征的红土镍矿、高岭土与红砂土进行了临界含水率和流态化试验, 测定了其临界含水率; 利用激励横摇装置开展了不同激励幅值与频率的激励横摇运动试验, 对比了3种不同货物在不同含水率下倾覆力和力矩的时历特性; 设计了倾覆机理试验, 选择临界含水率红土镍矿作为试验样本, 在波浪水槽中造波激励舱段横摇运动, 再现了红土镍矿运输船舶的倾覆过程, 利用高速摄像机记录了自由液面变化情况, 通过图像处理技术对自由液面进行分割, 根据自由液面情况分析了红土镍矿运输船舶倾覆过程中舱段的浮心和重心变化。试验结果表明: 红土镍矿、红砂土、高岭土的临界含水率分别为33.6%、22.0%、39.4%;对于具有不同性质的土, 在相同激励条件下, 晃荡力与力矩呈现出不同的性质; 当相位差为90°与270°时, 不对称力矩较相位差为0°与180°时增大4.37倍; 红土镍矿运输船舶倾覆主要原因为流态化货物晃荡导致横摇力矩增大、动稳性降低而发生倾覆, 同时, 晃荡力矩与货物性质、激励周期、黏性、激励幅值等多种因素有关。      

船后伴流场影响因素的数值研究

以某型集装箱船为研究对象,使用PARNASSOS软件进行了船后伴流场影响因素的数值研究.采用GMS软件为前处理器,采用NAPA软件的Transformation模块进行线型变换,并将所建模型导入PARNASSOS进行伴流场的计算;计算结果与实验值比较,验证了该方法的有效性.在此基础上,以平均伴流和伴流目标函数（WOF）作为计算结果的衡量标准,依次研究了方形系数、尾部U,V度、船体长宽比、航速和桨盘面位置等对伴流场的影响.     

Numerical study on bank effects for a ship sailing in shallow channel

A numerical study on bank effects in shallow channels is carried out by using a first-order Rankine source panel method. A container ship sailing along a vertical bank and a sloping bank at different forward speeds, different water depths and different distances between the bank and the ship hull is taken as example. The sway force and yaw moment acting on the hull are calculated and the influences of the speed, water depth and distance between the bank and ship hull on the hydrodynamic force and moment are analyzed. This study can provide insight into the bank effects, as well as to give guidance on ship manoeuvring and control in restricted waterways, which is helpful to the navigation safety.